Выбор катастроф - Азимов Айзек - Страница 7

7

Предположим, например, что кто-то снял на кинопленку события, произошедшие в двух сосудах, и мы знакомимся с результатом. Соединяющая трубка открыта, но вода не течет. Мы бы сразу пришли к выводу, что пленка не движется и мы видим один-единственный кадр. Иначе говоря, время в «кино-вселенной» остановилось.

Предположим, что в кино мы видим воду, текущую из почти пустого сосуда в полный. В этом случае мы были бы совершенно уверены, что пленку прокручивают в обратном направлении. В «кино-вселенной» время повернуло вспять, в противоположность реальной жизни, двинулось в обратном направлении. (На самом деле показ фильма задом наперед всегда вызывает смех, потому что события, которые мы в этом случае видим, никогда не случаются в реальной жизни. Выплеснувшаяся из стакана вода возвращается обратно; ныряльщик выбрасывается из воды ногами вперед и приземляется на доску для прыжков в воду; осколки стекла сами собираются в цельный предмет; волосы, взъерошенные ветром, укладываются в идеальную прическу. Наблюдение за всем этим позволяет нам понять, как много явлений в реальной жизни происходит совершенно спонтанно, как много явлений, которые действительно имели место, будучи повернутыми вспять, представляются настоящим чудом, и как хорошо мы отличаем одно от другого просто по опыту.) Вернемся к двум нашим сосудам с водой. Легко заметить, что скорость, с которой вода течет из полного сосуда в почти пустой, зависит от распределения энергии. Вначале потенциальная энергия воды в полном сосуде значительно выше, чем потенциальная энергия в почти пустом сосуде, так что вода течет быстро.

С падением уровня воды в полном сосуде и с подъемом его в почти пустом разница в потенциальной энергии между двумя сосудами неуклонно снижается, так что различие в распределении энергии уменьшается, и вода течет с неуклонно снижающейся скоростью. Ко времени, когда уровни воды почти одинаковы, вода течет с очень малой скоростью, а когда уровни воды в обоих сосудах становятся совершенно одинаковыми и совсем нет разницы в потенциальной энергии между ними, вода вообще перестает течь.

Короче, спонтанное изменение происходит от состояния неравного распределения энергии к состоянию равного распределения энергии и со скоростью, пропорциональной величине разности потенциала. Как только достигается равное распределение энергии, изменение прекращается.

Если бы, наблюдая за двумя сообщающимися сосудами с равными уровнями воды, не испытывающими никакого воздействия извне, мы увидели, что вода потекла в том или ином направлении так, что уровень воды в одном сосуде поднялся, а уровень воды в другом сосуде понизился, мы были бы свидетелями чуда.

Движущаяся вода может совершать работу. Она способна вращать турбину, которая будет вырабатывать электрический ток, или может просто передвигать предметы. При замедлении потока воды скорость, с которой может производиться работа, будет снижаться вместе с ним. Когда поток воды прекратится, никакой работы производиться не может.

Когда уровень воды одинаков в обоих сосудах, тогда все останавливается. Вся вода по-прежнему там. Вся энергия по-прежнему там. Все это – вода и энергия, тем не менее, уже больше не распределено неравномерно. Именно неравномерное распределение энергии создает изменение, движение, совершает работу – оно стремится к распределению равномерному. Как только равномерное распределение достигнуто, уже нет изменения, нет движения, нет работы.

Спонтанное изменение всегда происходит от неравномерного распределения к равномерному, и, как только достигается равномерное распределение, ничто спонтанное не приведет обратно к неравномерному распределению(Мы увидим, что в действительности это не совсем верно).

Возьмем другой пример, построенный не на уровнях воды, а на тепле. Из двух тел одно может содержать более высокую интенсивность тепловой энергии, чем другое. Уровень интенсивности тепловой энергии определяется как «температура». Чем выше уровень интенсивности тепловой энергии тела, тем выше его температура и тем оно горячее. Поэтому мы можем говорить о горячем теле и о холодном теле и считать их эквивалентными нашему случаю с полным сосудом и сосудом почти пустым.

Предположим, что два тела образовали замкнутую систему так, что в них не может попадать тепло из внешней Вселенной, и, соответственно, тепло не может вытекать из них во внешнюю Вселенную. Теперь представим себе, что два этих тела – горячее и холодное – приведены в соприкосновение.

Из опыта нашей реальной жизни нам точно известно, что произойдет: тепло потечет из горячего тела в холодное – в точности так, как вода текла из полного сосуда в почти пустой. Пока поток тепла продолжается, горячее тело будет остывать, а холодное тело будет нагреваться, точно так же, как полный сосуд становился менее полным, а почти пустой сосуд становился более полным. Наконец, оба тела будут иметь одинаковую температуру, так же как в двух сосудах устанавливался одинаковый уровень воды.

Опять же, скорость потока тепла от горячего тела к холодному зависит от разности распределения энергии. Чем больше разность температур между двумя телами, тем быстрее течет тепло от горячего тела к холодному. По мере охлаждения горячего тела и нагревания холодного разность температур уменьшается, снижается и скорость потока тепла. Наконец, когда температура обоих тел станет одинаковой, поток тепла прекратится – оно не будет двигаться ни в каком направлении.

Опять же, направление потока тепла спонтанно. Если два тела с различной температурой привести в соприкосновение, и тепло не потечет или потечет от холодного тела к горячему так, что холодное тело станет еще более холодным, а горячее еще более горячим, и если бы мы бы ни уверены, что имеем дело с действительно замкнутой системой, и что тут нет никаких фокусов, нам бы пришлось заключить, что мы стали свидетелями чуда. (Разумеется, никаких таких чудес не установлено и не зарегистрировано учеными.) Как только оба тела достигнут одинаковой температуры, поток тепла, который вызывает либо нагрев одного из тел, либо охлаждение, прекращается.

Подобные изменения опять-таки связаны с течением времени. Если бы мы сняли фильм о двух телах, сфокусировавшись на термометрах, прикрепленных к каждому телу, и заметили бы при просмотре, что температура одного тела остается высокой, а другого – низкой, мы бы сделали вывод, что пленка не двигается. Если бы мы увидели, что столбик ртути в термометре на теле с более высокой температурой поднимается еще выше, в то время как столбик на другом термометре опускается еще ниже, мы бы сделали вывод, что пленка прокручивается задом наперед.

Пользуясь горячим и холодным телами, мы могли бы совершить работу. Тепло от горячего тела способно испарять жидкость, а расширяющийся пар способен толкать поршень. Пар мог бы затем передать свое тепло холодному телу, снова стать жидкостью, и процесс мог бы продолжаться снова и снова.

Когда совершается работа и течет тепло, горячее тело передает свое тепло испаряющейся жидкости, а пар, когда он конденсируется, передает свое тепло холодному телу. Поэтому горячее тело становится холоднее, а холодное теплее. Когда температуры сближаются, скорость потока тепла снижается, уменьшается и количество совершаемой работы. Когда же оба тела достигают одинаковой температуры, прекращается и поток тепла и не совершается никакой работы. Тела остаются на месте, вся тепловая энергия все еще там, но уже нет неравного распределения энергии, и поэтому нет никакого изменения, никакого движения, никакой работы.

И опять спонтанное изменение направлено от неравного распределения энергии к равному; от способности к изменению, движению, работе к отсутствию такой способности. И опять, как только такая способность исчезает, она не возникает вновь.

Второе начало термодинамики

Исследования энергии обычно включают в себя изучение потоков тепла и температурных изменений, потому что это – самый простой аспект предмета, поддающийся для наблюдения в лаборатории, а также потому, что это было особенно важно, когда паровые машины были главным способом превращения энергии в работу. По этой причине наука об энергоизменении, энерготечении и преобразовании энергии в работу была обозначена словом «термодинамика», что по-гречески означает «теплодвижение».